Capitolo 2. Procedura sperimentale
2.1 La laminazione
Capitolo 2
Procedura sperimentale
Il materiale analizzato è l‟acciaio inossidabile duplex SAF2507 (Inoxtech) , di composizione riportata in tabella 3.1 è:
Meteriale C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu N
2507 0.015 0.24 0.83 0.023 0.001 24.80 6.89 3.83 0.23 0.27
Tabella 3.1: composizione chimica del Super Duplex 2507 in percentuale ponderale (colata 830383)
Di seguito sono elencate alcune caratteristiche meccaniche e fisiche dichiarate dal fornitore: 1. Carico di snervamento a trazione 550 MPa
2. Resistenza a trazione 856 MPa 3. Allungamento 35% 4. Strizione 42% 5. Durezza Brinell 260 HB 6. Test di impatto Charpy EN 10045-1 235 Joule
Questo acciaio ci viene fornito sottoforma di barre a sezione rettangolare e sottoposto a laminazione a freddo con le seguenti riduzioni di spessore: 10%, 25%, 35%, 55%, 65% e 85% sempre in confronto poi con il campione allo stato tal quale.
2.1 La laminazione
La laminazione è il processo di deformazione plastica mediante il quale il materiale è fatto passare tra due cilindri in rotazione (rulli), come si vede nella figura 2.1, lisci o sagomati,
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esercitanti un azione di schiacciamento, ciò produce una riduzione della sezione trasversale accompagnata da un allungamento del pezzo.
Figura 2.1: Rulli del laminatoio per la deformazione plastica dei provini
I cilindri laminatori sono di norma attivati da motori a meno che non è presente una forza di trazione sul materiale in uscita dalla zona di laminazione. Quasi tutti gli oggetti con cui abbiamo a che fare sono stati ottenuti da metalli che nel loro ciclo di produzione hanno subito un processo di laminazione. Il principale vantaggio della laminazione risiede nella capacità di permettere la produzione di laminati in metallo di forma desiderata e di dimensioni relativamente grandi, con un‟elevata velocità di produzione e in modo continuo. La laminazione può essere eseguita a caldo o a freddo. La laminazione a caldo sfrutta la gran plasticità dei materiali ad alta temperatura e consente grandi deformazioni con carichi contenuti sui cilindri di laminazione.
La laminazione a freddo consente una buona rifinitura superficiale, soprattutto perché non si verificano i fenomeni d‟ossidazione, anche se le deformazioni in gioco sono limitate e se sui cilindri sono provocati carichi considerevoli.
La parte più importante di un impianto di laminazione è il treno di laminazione, che si compone di una o più gabbie di laminazione, degli organi di trasmissione e dell‟equipaggiamento elettrico. Il laminatoio che è stato utilizzato è costituito da due soli cilindri. Può essere reversibile, quando il senso di rotazione dei cilindri può essere invertito ad ogni passaggio, oppure non reversibile. Il diametro nominale dei cilindri corrisponde al diametro medio ed è pari al doppio della distanza fra l‟asse dei cilindri e la linea mediana della sezione laminata.
L‟indicazione del diametro è della massima importanza perché caratterizza il laminatoio. La regolazione in altezza dei cilindri avviene per mezzo di viti di pressione che provocano un abbassamento del cilindro superiore, o anche uno spostamento nel senso desiderato d‟entrambi i cilindri.
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Per quanto riguarda gli organi di trasmissione dal motore ai cilindri di laminazione essi comprendono i seguenti elementi:
i) Il volano: ha lo scopo di accumulare energia cinetica, che compensa le temporanee insufficienze del motore nelle punte di sforzo che si verificano frequentemente durante la laminazione, in modo da garantire ai cilindri una velocità di rotazione costante. ii) La gabbia a pignoni: ha la funzione di trasmettere il movimento del motore alle
allunghe ed è composta da una serie d‟ingranaggi a dentatura elicoidale, uno dei quali è collegato direttamente al motore.
iii) Gli ingranaggi: sono in numero uguale alle allunghe.
iv) Le allunghe: sono alberi d‟acciaio che collegano gli ingranaggi a cilindri di laminazione o anche i cilindri fra loro, quando quelli di più gabbie si trovano sullo stesso asse.
Per quanto riguarda l‟equipaggiamento elettrico, le apparecchiature principali comprendono:
i) Motori di comando delle gabbie ii) Gruppi raddrizzatori della corrente iii) Trasformatori
I motori sono sempre del tipo a corrente continua perchè consentono il vantaggio di una più ampia regolazione del numero di giri, di una forte coppia allo spunto e di permettere l‟inversione del movimento. I gruppi raddrizzatori si rendono necessari per fornire la corrente continua ai motori.
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2.1.2 Laminazione a freddo
Nel laminatoio a freddo il nastro è sottoposto all‟azione simultanea di trazione e di compressione: i rulli di laminazione provocano uno schiacciamento ed un parziale stiramento ma soprattutto ( fatto che non si verifica nella laminazione a caldo) mantengono il nastro in tiro cioè, mentre il nastro passa in una gabbia, è sottoposto al tiro della gabbia successiva e, quando passa nell‟ultima gabbia, al tiro della bobina di riavvolgimento.
Nel nastro laminato i grani cristallini sono fortemente deformati ed allungati ed il materiale è incrudito, in quanto nella lavorazione a freddo si ha un aumento di resistenza meccanica e una diminuzione di duttilità. L‟effetto della deformazione plastica è connesso alla stabilità dell‟austenite ed alla formazione di martensite (TRIP). Due tipi di martensite si possono formare: martensite-ε paramagnetica con struttura esagonale compatta e martensite-α′ ferromagnetica con struttura cubica corpo centrato. L‟entità della trasformazione dipende dall‟energia del difetto d‟impilamento, temperatura, tasso di deformazione e dalla composizione chimica dell‟acciaio.
2.1.3 Forze e relazioni geometriche nella laminazione
I cilindri laminatori possono configurarsi come due piastre ricurve che deformano il materiale per compressione facendolo fluire verso destra, nella zona d‟uscita del laminatoio, e verso sinistra, all‟ingresso. Un lingotto metallico nel passare attraverso la zona di deformazione tra i due cilindri riduce il suo spessore da ho a hf con un rapporto di riduzione pari a:
o f o o
h
h
h
h
h
In prima approssimazione si può assumere che la larghezza della lastra non varia, così che alla compressione del metallo corrisponde il solo allungamento nella direzione di laminazione. Per la costanza della portata di materiale in ogni sezione della zona di compressione si ha:
f f o
o
bh bh
bh
Dove b è la larghezza della lastra e v la velocità del materiale nella sezione che si considera figura 2.3.
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Figura 2.3: Laminazione della lamiera
Dalla precedente relazione deriva che affinché un elemento verticale della lamiera rimanga non distorto,la velocità vf all‟uscita deve essere maggiore della velocità vo all‟ingresso dei cilindri laminatori essendo hf < ho. La velocità del materiale,quindi,deve aumentare dall‟ingresso all‟uscita,per cui,essendo la velocità periferica del cilindro costante,ci dovrà essere uno scorrimento relativo tra materiale e cilindri. Solo in un punto N dell‟arco di contatto la velocità del materiale sarà uguale a quella del cilindro (punto neutro o di non scorrimento relativo).In un qualsiasi punto dell‟arco di contatto le forze agenti sono essenzialmente due: una radiale Pr ed una tangenziale di attrito. Tra l‟ingresso e il punto neutro,essendo la velocità del laminatoio minore della velocità periferica del cilindro,si ha che le forze di attrito tendono a trascinare il pezzo nella direzione di laminazione mentre tra il punto neutro e l‟uscita le forze di attrito tendono ad opporsi al moto del materiale essendo la velocità di questo superiore a quella dei cilindri. La componente verticale di Pr è la forza di laminazione P chiamata anche forza separante perché è la forza esercitata dal materiale per allontanare i cilindri. La pressione di laminazione p si ottiene dividendo la forza di laminazione P per l‟area di contatto:
p
bL
P
A
P
p
30 f o f o f o p
R h h h h R h h
L
4
La distribuzione della pressione lungo l‟arco di contatto è quella di figura 2.4.
Figura 2.4: Distribuzione della pressionelungo l’arco di contatto
La pressione raggiunge un massimo in corrispondenza dell‟asse neutro e poi decresce. Il fatto che il massimo della pressione non sia un picco mostra che il punto neutro non è localizzato, ma il non scorrimento interessa un arco di cilindro. L‟area sottesa dalla curva è proporzionale alla forza di laminazione che, ai fini dei calcoli, si considera agente nel centro di gravità delle distribuzione delle pressioni di laminazione.
Quindi la forma di questa curva è molto importante perchè il punto di applicazione della risultante rispetto alla linea tra i centri dei cilindri determina il momento motore e la potenza di laminazione. L‟area tratteggiata nella figura 2.2,rappresenta la forza per vincere le forze di attrito tra cilindro e pezzo e l‟area nella parte inferiore rappresenta la forza per deformare il metallo in compressione omogenea piana. L‟angolo α (figura 2.5),formato dalla congiungente dei centri dei cilindri con l‟estremità all‟ingresso della zona di deformazione,è l‟angolo di contatto (o di afferraggio). I cilindri trascinano nella gola il materiale da laminare, quando le componenti lungo la direzione di laminazione delle forze di attrito superano le componenti nella stessa direzione ma con senso opposto della forza radiale Pr,cioè quando
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Figura 2.5: Le forze che la lamiera è soggetta durante la laminazione
In altre parole quando: η/Pr ≥ tg α. Supponiamo inoltre l‟attrito definito dal coefficiente di Coulomb μ=η/Pr, il pezzo potrà essere afferrato dai cilindri stessi allorché:
tg
Cioè quando il coefficiente d‟attrito supera la tangente dell‟angolo di contatto. Se μ=0 la laminazione non può aver luogo. Per aumentare il valore di μ si effettuano sui cilindri delle scanalature nella direzione di laminazione specialmente, quando si desiderano forti riduzioni di spessore in breve tempo.
Essendo per l‟acciaio μ=0,45 dovrà essere tgα≤0,45 in altre parole α=24°: si assume α=21° in quanto valori inferiori di α renderebbero la laminazione antieconomica, poiché la riduzione di spessore del massello sarebbe minima. Nelle stesse condizioni d‟attrito,cilindri di raggio maggiore permettono l‟afferraggio spontaneo di lastre con spessori maggiori,in quanto pur essendo lo stesso angolo di afferraggio α, l‟arco di contatto sarà maggiore vedi figura 2.6.
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Figura 2.6: Afferraggio spontaneo della lastra con spessore maggiore
cos
1
2 R
h
L‟allungamento del materiale durante la laminazione è definito dal coefficiente di stiramento s:
o f
L
L
s
In generale nei vari stadi della laminazione s non è costante. E‟ elevato nei primi passaggi e si riduce nei successivi. Nella finitura si ha s=1 e cioè L=costante.
La velocità di laminazione si esprime in m/s e dipende dal tipo di laminatoio e dalle condizioni di laminazione:in particolare,nella laminazione continua,la velocità di laminazione dipende dalla riduzione di spessore. Fissata la velocità di laminazione v, restano fissate le velocità angolari n(giri/minuto)dei cilindri di diametro D:
D
N 6000
Dove v è in m/s e D=2R in mm.
Le elevate forze di compressione nel processo di laminazione producono due tipi prevalenti di distorsione elastica:
1) I cilindri tendono a curvarsi longitudinalmente per effetto del pezzo che tende a separarli. Essendo i cilindri vincolati all‟estremità, è prodotto uno spessore non uniforme del laminato.
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2) I cilindri a contatto con il materiale si appiattiscono. Il raggio di curvatura quindi aumenta da R a R′ che è valutabile tramite la formula di Hitchcock:
f o
h
h
b
cP
R
R
'1
Ove c=16[(1-v)/πP] e P è la forza di laminazione basata sul cilindro deformato. Poiché però P dipende da R′, per una più esatta soluzione dell‟equazione precedente,si ricorre ad un procedimento iterativo.
Nella laminazione i parametri principali sono: i) Diametro dei cilindri
ii) La resistenza allo scorrimento del materiale che è funzione della temperatura, della velocità di deformazione e dei fattori metallurgici.
iii) Attrito tra cilindro e pezzo
iv) La presenza eventuale di una forza di trazione all‟ingresso o all‟uscita e la sua entità.
Nella laminazione le ipotesi di base sono: deformazione piana e uniforme, tensioni lungo gli assi principali ed utensile indeformabile.
Il materiale è stato sottoposto a trattamento termico a temperature ritenute critiche per la precipitazione di fasi secondarie e per campioni deformati a freddo e campioni tal quali.
L'operazione di trattamento isotermico viene svolto in un forno a muffola a temperature di 800°C, 850°C e 900°C. Il trattamento termico a 800°C è stato condotto per 10 minuti e ha coinvolto il campione tal quale e i campioni deformati a 10%,25% e 35%, mentre il trattamento a 850°C ha interessato due tempi di permanenza: un tempo di permanenza di 10 minuti per il campione tal quale ed i campioni deformati a 10%, 25%, 35%, 55%, 65% e 85%; ed un secondo tempo di permanenza di 30 minuti per i campioni deformati a 55%,65% e 85%.Infine il trattamento termico a 900°C ha sempre interessato due tempi di permanenza: un tempo di 10 minuti per il campione tal quale e per i campioni deformati a 10%,25%,35%,55%,65% e 85%, e il secondo tempo di 30 minuti per il campione tal quale e per i campioni deformati a 10%,25%,35%,55%,65% e 85% come riassunto nella tabella sottostante.
34 tempo di permanenza(minuti) Temperatura (°C) 10 30 800 TQ,10%,25%,35% 850 TQ,10%,25%,35%,55%,65%,85% TQ ,55%,65%,85% 900 TQ,10%,25%,35%,55%,65%,85% TQ,10%,25%,35%,55%,65%,85%
Tabella 2.1: Riassunto dello svolgimento del trattamento isotermico